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Forças que unem e força que separa

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Apresentamos as forças com que convivemos no nosso dia-a-dia. Relacionamos essas forças com as 4 forças fundamentais da Natureza. Mostramos que tipo de fenômenos são descritos por cada uma dessas …

Apresentamos as forças com que convivemos no nosso dia-a-dia. Relacionamos essas forças com as 4 forças fundamentais da Natureza. Mostramos que tipo de fenômenos são descritos por cada uma dessas forças. Apesar de algumas desses forças serem importantes em dimensões espaciais tão
diminutas, mostramos como elas são importantes na nossa vida diária.

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  • 1. mariateresa.thomaz@gmail.com Apresentação1. O que é força?2. A força da gravidade3. A força eletromagnética4. A força forte5. A força fraca : a força que separa6. Conhecemos tudo sobre as forças da Natureza? Instituto de Física, UFF Forças que unem... 1
  • 2. 1. O que é força?Sir Isaac Newton nos ensinou que as forças são responsáveis porcomeçarmos a nos movimentar e a parar. Em resumo : forças agem para modificar o nosso movimento. Temos diferentes tipos de forças: 1. forças de contato: no abraço força elástica forças normal força de atrito e peso Instituto de Física, UFF Forças que unem... 2
  • 3. 2. forças sem contato : Força da gravidade : ela existe sempre que dois corpos têm massa . Força elétrica: corpos que possuem carga elétrica (positiva ou negativa) . Força magnética : cargas elétricas em movimento . Nem todo empurrão e/ou puxão que sentimos tem algo nos tocando !!!! Instituto de Física, UFF Forças que unem... 3
  • 4. Como explicamos as forças dos exemplos anteriores?Todas as forças mostradas : a maçã que cai a força elástica da atiradeira a força que curva o fundo da cadeira em que sentamos a força de atrito quando andamos sobre uma superfície a força de repulsão/atração entre partículas com carga elétrica Essas forças são forças fundamentais da Natureza? Como explicamos essas forças com que convivemos o nosso dia-a-dia? Instituto de Física, UFF Forças que unem... 4
  • 5. 2. A força da gravidade A primeira força com que nos defrontamos : Porque o bebê cai ? É a força da gravidade !!! Sir Isaac Newton nos ensinou que quaisquer 2 objetos que possuem massa se atraem. Instituto de Física, UFF Forças que unem... 5
  • 6. Relembrando um pouco de Matemática:Na Física temos algumas grandezas que são muito grandese outras que são muito pequenas. Para manipulá-las de forma fácilutilizamos potências de 10. Vejamos alguns exemplos: Instituto de Física, UFF Forças que unem... 6
  • 7. A força da gravidade : onde: sendo m 1 : massa do objeto 1 m 2 : massa do objeto 2 r : distância entre o centro dos objetos G : constante da gravitação Instituto de Física, UFF Forças que unem... 7
  • 8. Se dois corpos que possuem massa sempre se atraem, porquequando eu largo uma “maçã” a uma distância de 0,5m demim, ela não vai na minha direção? Newton nos ensinou a calcular as forças que agem sobre a maçã quando a solto: 1) Força com que eu atraio a maçã : mTt = 80 kg, mmaçã = 10g = 0,01kg, r =0,5m 2) a força que a Terra atrai a maçã (peso): MTerra = 6 . 10+24 kg mmaçã = 10g, RTerra = 6378km Instituto de Física, UFF Forças que unem... 8
  • 9. Porquê quando largamos a maçã ela sempre cai em direção a Terra? Relembrando: Assim :Conclusão : a força com que a Terra atrai todos os objetosque têm massa é MUITO MAIOR que a força que nósexercemos sobre eles. Esqueça a força que fazemos sobre eles!!! Instituto de Física, UFF Forças que unem... 9
  • 10. A força da gravidade é responsável por: estarmos sobre a Terra a Lua ligada a Terra o sistema solar as estruturas das galáxias Instituto de Física, UFF Forças que unem... 10
  • 11. Será que a força da gravidade é sempre aforça mais importante? Relembrando a lei da gravitação de Isaac Newton : sendo : Vejamos ... Instituto de Física, UFF Forças que unem... 11
  • 12. 3. A força eletromagnéticaSabemos que todos os materiais são compostos de moléculas são compostas de átomos que são compostos de elétrons, prótons e neutrons . Para descrever as forças em pequeníssimas distâncias, nos fixamos na água: e átomo de oxigênio átomo de hidrogênio Instituto de Física, UFF Forças que unem... 12
  • 13. Todos os átomos são constituídos de :elétron : foi descoberto por J.J. próton : foi descoberto E.Thomson em 1897. Rutherford em 1918.mel = 9,1 . 10-28g Mpr = 1,672. 10-24g (Mpr ~ 1870 mel )carga elétrica = - 1,6. 10-19C carga elétrica = + 1,6. 10-19Cspin = 1/2 spin = 1/2 Alguns átomos possuem : neutron descoberto por Sir James Chadwick, em 1932. Mnet = 1,675. 10-24g carga elétrica = 0 spin = 1/2 Esses valores de massa são realmente pequenos? A massa de 1 fio de cabelo ~ 0,003g = 3 . 10-6 g . Instituto de Física, UFF Forças que unem... 13
  • 14. Qual o tamanho típico de um raio atômico? rátomo ~ 10-10m É possível ver um átomo a olho nu? Comparamos o raio atômico com algo que enxergamos: espessura de um cabelo : 0.1mm = 10-4m A nossa experiência não nos permite afirmar nada sobre o que ocorre dentro do átomo !!!! Instituto de Física, UFF Forças que unem... 14
  • 15. 3.1) Força elétrica Algumas partículas como os elétrons e prótons possuem uma propriedade chamada de carga elétrica . Em 1785 Coulomb conseguiu determinar a expressão da força entre cargas elétricas pontuais: Charles A. de Coulombsendo Instituto de Física, UFF Forças que unem... 15
  • 16. Comparando as forças gravitacional e elétrica : Força gravitacional : Força elétrica :Partículas com massa se atraem Só existe força elétrica entreentre si devido a força da partículas que possuem cargagravidade . elétrica. As forças elétricas podem atrair ou repelir. dependendo do sinal das cargas elétricas. Instituto de Física, UFF Forças que unem... 16
  • 17. Qual força é responsável de manter o elétron ligado ao próton noátomo de hidrogênio? Força gravitacional do próton sobre o elétron : FG ≈ 1,0 . 10-44 N Força elétrica entre o próton e o elétron : FE ≈ 2,3 . 10-8 N Razão entre as duas forças que agem sobre o elétron: FE ≈ 2,3 . 10+36 FG dentro do átomo podemos esquecer a força de gravidade entre as partículas!!!! Instituto de Física, UFF Forças que unem... 17
  • 18. 3.2) Força magnéticaMagnetismo: a magnetita era conhecida pelos gregos antes daera de Cristo. Esta pedra vinha de região da Grécia chamadade Magnésia. Fatos importantes relativos a força magnética : 2.700 A.C.: bússola rústica dos chineses feitas de “lodestone”. 1.000 D.C. - 1.200 D.C.: bússolas para navegação 1.600 D.C.: William Gilbert, o “Pai do Magnetismo” “A Terra é um grande ímã .“ William Gilbert Instituto de Física, UFF Forças que unem... 18
  • 19. 3.3) Força eletromagnética: a unificaçãoAntes de 1830: as forças elétrica e magnética eramconsideradas forças distintas. Lei de indução de Faraday (1831): variação de fluxo de campo magnético no tempo geram campos elétricos. Lei de Ampère (1835): campos magnéticos são gerados por cargas elétricas em movimento. James Clerk Maxwell (1855- 1856): formulação matemática da lei de indução de Faraday e introduziu o termo de corrente de deslocamento na lei de Ampère a unificação dos fenômenos elétricos eJames C. Maxwell magnéticos explicados pelas 4 eqs. do Eletromagnetismo. Instituto de Física, UFF Forças que unem... 19
  • 20. Consequências das 4 equações de Maxwell: Em 1862, Maxwell mostra que a velocidade de propagação das ondas eletromagnéticas ≈ velocidade da luz a luz é uma onda eletromagnética. Em 1866, Heinrich Hertz detectou as ondas de rádio. Como as equações de Maxwell modificaram o nosso dia-a-dia? televisão, rádio, telefone, celulares... Instituto de Física, UFF Forças que unem... 20
  • 21. A força eletromagnética é responsável por:Propriedades física e química dos elementos : átomo de hidrogênio átomo de oxigênio As formas que vemos na Natureza : Fractais em pedras Instituto de Física, UFF Forças que unem... 21
  • 22. Estamos falando sobre forças entre partículas atômicas (~10-10m).Essas forças eletromagnéticas influenciam o nosso dia-a-dia? Força elástica Força de atrito Raios cortando a atmosfera Se faltar a eletricidade? Instituto de Física, UFF Forças que unem... 22
  • 23. 4) A força forte Relembrando as dimensões atômicas : raio atômico : rátomo ~ 10-10m Comparando o tamanho do átomo com o que podemos ver: espessura de um cabelo : 0.1mm = 10-4m Qual o tamanho dos núcleo atômico : 10-14m núcleos dos átomos e de seus nucleons? nucleon : 10-15m (próton ou neutron) Instituto de Física, UFF Forças que unem... 23
  • 24. Os núcleos dos átomos que compõem a água : 1) núcleo do átomo de hidrogênio : 1 próton (carga elétrica : + e ) 2) núcleo do átomo de oxigênio: 8 prótons (8 cargas elétricas +e ) 8 neutrons (8 partículas sem carga elétrica)Já falamos que partículas com mesma carga elétrica se repelem .Como os prótons ficam unidos dentro de um lugar tão diminuto?Os neutrons não têm carga elétrica . Como eles ficam ligados aosnúcleos dos átomos? Instituto de Física, UFF Forças que unem... 24
  • 25. Os prótons e os neutrons são estados ligados de partículaselementares chamadas de quarks : A força que une os quarks : força forte .Dentro do núcleo a força forte é~ 137Xforça eletromagnética . Sabor Carga elétrica u (up) +(2e)/3 d (down) -(e)/3 As características dos quarks : s (strange) -(e)/3 c (charm) +(2e)/3Os quarks possuem um novo b (botton) -(e)/3tipo de carga: carga de cor. t (top) +(2e)/3 Instituto de Física, UFF Forças que unem... 25
  • 26. Cada quark existem em 3 tipos diferentes de cor:red (vermelho), green (verde) e blue (azul). só os quarks Só os quarks possuem carga de cor sentem a força forte, mas como os quarks também têm carga elétrica, então eles também sentem a força eletromagnética . IMPORTANTE: para distâncias maiores que o raio nuclear (10-14m), a força forte vai a zero e fica MUITO MENOR que a força eletromagnética . Força de curto alcance . Instituto de Física, UFF Forças que unem... 26
  • 27. Já foi medido algum quark livre (sozinho) em laboratório? Não, a carga elétrica de todas as partículas medidas é um múltiplo inteiro da carga elétrica do elétron ou próton, ou não tem carga elétrica. Nunca foi medido uma partícula com carga elétrica fracionária. Porque ? a força forte é como um elástico que liga os quarks entre si . Quanto maior a distância entre eles mais aumenta a força, até que a energia fica tão grande que a Natureza prefere criar um novo par de quarks . Instituto de Física, UFF Forças que unem... 27
  • 28. Estados ligados de quarks : 1) quarks ligados 2 a 2: mésons mésons : partículas trocadas entre os núcleos. 2) quarks ligados 3 a 3: bárions bárions: prótons, neutrons, ... Instituto de Física, UFF Forças que unem... 28
  • 29. A força forte é responsável por: a estabilidade dos núcleos: Tabela Periódica : organização dos núcleos na forma de camadas. a estabilidade do neutron dentro do núcleo a água ser estável . a instabilidade de núcleos isótopos: bombas nucleares . Instituto de Física, UFF Forças que unem... 29
  • 30. 5. A força fraca : a força que separa O núcleo do átomo de oxigênio: 8 prótons e 8 neutrons. cargas elétricas dos nucleons : próton : + e neutron : 0 (zero)A água que colocamos no copo pode ficar lá para sempre os núcleos do oxigênio não mudam com o tempo os prótons e os neutrons dentro do núcleo são estáveis .Mas quando os neutrons estão livres, metade deles desaparecema cada 887s (14,8 minutos). Instituto de Física, UFF Forças que unem... 30
  • 31. Após 14,8 minutos, metade dos neutrons livres num dado localdesaparecem dando lugar a outras partículas: decaimento β neutrino do elétron Nova partícula : neutrino (νe) 0 < massa << me carga elétrica : 0 spin : ½ (férmion) Que força é responsável pelo decaimento do neutron ? A força fraca . Instituto de Física, UFF Forças que unem... 31
  • 32. A força fraca existe dentro do raio do nucleon (10-15m) Força de curto alcance Porque razão está força é chamada de fraca?Que partículas sentem a força fraca? Todos os férmions (spin ½),elétrons, quarks, neutrinos, etc ...Se ela é tão menor que as outras forças como a conhecemos?Os neutrinos só interagem via força fraca!!!. Eles são o grandemistério da Natureza . É muito difícil detectá-los. Instituto de Física, UFF Forças que unem... 32
  • 33. Porque a força fraca é tão importante para o nosso dia-a-dia ?Nas reações de fusão que acontecem no Sol e outras estrelas detamanho similar começam pelo ciclo próton-próton: neutrino 1H + 1H → 2H + e+ + νe esse processo só ocorre devido a força fraca (temos neutrino na reação) . Esta reação leva ~7 bilhões de anos para ocorrer. Se ela fosse mais rápida o Sol já estaria frio a muito tempo. Instituto de Física, UFF Forças que unem... 33
  • 34. A força fraca é a força dos biólogos.Fotossíntese: vegetais clorofilados energia solar → dióxido de carbono + água →→ 6 O2 + 6 H2 O + C6H12O6 . nosso oxigênio Instituto de Física, UFF Forças que unem... 34
  • 35. Voltando ao mundo do muitíssimo pequeno... rnucleon ~ 10-15mTemos uma segunda unificação das forças da Natureza :Para distâncias menores e ~ 10-18m (um milionésimodo raio do nucleon) as forças eletromagnética e fraca sãodiferentes manifestações de uma mesma força : forçaeletrofraca .Não se conhece nenhum processo em que a força fracaseja responsável por manter partículas elementaresunidas. A força fraca é responsável apenas pordecaimentos . Instituto de Física, UFF Forças que unem... 35
  • 36. 6. Conhecemos tudo sobre as forças da Natureza? 1. O sonho de Einstein : unificação de todas as forças Um caminho a percorrer... - Teorias de grande unificação (GUT´s) - Teorias Supersimétricas - Superstrings, Teoria-M (escala de Planck ~10-35m) 2. O que temos de novo? O Universo está se expandindo aceleradamente . Temos uma energia escura com pressão negativa . Precisamos de uma nova força para explicar esta aceleração? Instituto de Física, UFF Forças que unem... 36
  • 37. A Natureza continua a esperar a nossa curiosidade e criatividade para desvendá-la completamente .Obrigada pela sua atenção!!! Instituto de Física, UFF Forças que unem... 37
  • 38. As transparências deste seminário estão no blog:http://mttdivulgacao.blogspot.com na secção: “Divulgação já realizada no Ensino Médio” Instituto de Física, UFF Forças que unem... 38